古建筑木结构斗棋节点点力学性能研究进展.pdf

建筑施工第4 5 卷第8 期1695XSCIENTIFICRESEARCH究科研学古建筑木结构斗棋节点点力学性能研究进展许鹏韩振华尹婷婷苏冠男上海建工集团工程研究总院上海201114摘要：斗棋是我国古建筑木结构中的代表性构件，具有重要的装饰价值与结构功能。从斗棋的竖向承载性能、水平抗震性能、有限元模拟分析等方面对古建筑木结构中斗棋节点的力学性能的研究进展进行归纳总结，结果表明：斗棋节点具有良好的抗震耗能能力，斗竖向承载时的破坏形态主要表现为护斗的压溃劈裂或者中心构件的压屈变形，水平向承载时的破坏形态主要表现为馒头的剪切破坏或者各层构件间滑移分离；斗节点在竖向、水平向的承载力与刚度的计算模型通常采用变刚度线弹性模型来描述；基于木材本构关系和静动摩擦接触关系的精细化有限元模拟是研究斗力学性能的有效手段。关键词：古建筑；斗；力学性能；木结构建筑；研究进展中图分类号：TU755文献标志码：A文章编号：1 0 0 4-1 0 0 1(2 0 2 3)0 8-1 6 9 5-0 4DOl:10.14144/ki.jzsg.2023.08.056Research Progress on Mechanical Properties of Dougong BracketJoints inAncient Wooden StructuresXU Peng HAN Zhenhua YIN Tingting SU GuannanEngineering General Institute of Shanghai Construction Group,Shanghai 201114,ChinaAbstract:Dougong bracket is a representative component of wooden structures in ancient Chinese architecture,whichhas important decorative value and structural functions.The research progress on the mechanical properties of dougongbracket joints in ancient architectural wood structures is summarized from the aspects of vertical bearing performance,horizontal seismic performance,and finite element simulation analysis.The results show that dougong bracket joints havegood seismic energy dissipation capacity,and the failure mode of dougong bracket under vertical bearing is mainlymanifested as the crushing and spliting of the dougong bracket or the bending deformation of the central component,the failure mode under horizontal load mainly shows the shear failure of the Mantou tenon or the slip separation betweenthe components of each layer;the calculation model for the vertical and horizontal bearing capacity and stiffness ofdougong bracket nodes is usually described by a variable stiffness linear elastic model;the refined finite elementsimulation based on the wood constitutive equation and the static dynamic friction contact relationship is an effectivemeans to study the mechanical properties of dougong bracket.Keywords:ancient architecture;dougong bracket;mechanical properties;wood structure building:research progress中国古建筑木结构历史悠久，是世界建筑史上独树一帜的建筑体系，既蕴含丰富的历史文化信息，又具有重要的经济价值与社会价值。斗是由斗上叠加若干层长度递增的基金项目：上海建工重点科研项目（2 1 JCSF-35）。作者简介：许鹏（1 9 9 5 一），男，硕士，助理工程师。通信地址：上海市闵行区新骏环路7 0 0 号（2 0 1 1 1 4）。电子邮箱：9 0 6 0 5 3 2 9 7 收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 75杨宝珠,邵强,丁克胜,等.超深、超大地下连续墙钢筋笼吊装过程研究 J.工业建筑,2 0 1 3,4 3(7):1 0 1-1 0 4.6】张紫月，丁克胜,邵强,超深地下连续墙钢筋笼吊装过程的仿真研究.中国建筑金属结构,2 0 1 3(1 6):1 0-1 1.7秦鹏,张小涛,朱应新.南京地铁逸仙桥站地下连续墙钢筋笼吊装技术 .科技创新导报,2 0 0 9(1 1):5 1-5 2.木拼装而成的倒三角形节点，位于古建筑的檐下或梁架间，具有装饰和衡量建筑等级的作用，是我国古建筑木结构最具特色的标志 1-2 。斗棋不仅具备极高的建筑美学功能，还对木结构建筑的安全性与稳定性有重要影响，具备传递荷载、耗能减震等重要结构功能。斗棋最早起源于商代，最初的作用是通过挑出檐口使外墙及木柱免遭雨淋侵蚀。唐至元时期，斗棋得以蓬勃发展，开始在建筑中发挥承挑屋檐、承上启下等结构作用，该时期斗的尺寸较大，形制雄伟8赵兴波，茅利华,龚振斌,等.淮海路车站超深地下连续墙钢筋笼吊装技术 C/中国工程机械工业协会施工机械化分会.施工机械化新技术交流会论文集（第七辑).中国工程机械工业协会施工机械化分会,2 0 0 6:3.9张克球,李承孝,范知言,等.钢筋应力一应变特性初步分析 1 .冶金建筑,1 9 8 1(6):1 6-1 9,3 2.16962023 8 Building Construction许鹏、草韩振华、尹婷婷、苏冠男：古建筑木结构斗棋节点力学性能研究进展壮阔。明清时期由于建筑出檐距离的收缩，斗棋的尺寸也明显减小，结构功能显著退化，更具建筑装饰与彰显等级的作用 3。斗棋节点的力学性能对木结构建筑的整体安全性能具有重要影响，本文分别从斗棋节点的竖向受力性能、水平抗震性能与有限元分析等方面对现有研究进行了梳理归纳，对斗棋的研究现状进行总结并对其研究趋势进行展望。1斗棋节点竖向受力性能1.1试验研究斗棋的结构意义在于把竖向荷载集中传递到柱子和额枋上，既避免某处构件受到的剪力、压力、弯矩过大，又使众多的竖向、水平构件能在此完整相连。在竖向荷载作用下，斗各构件之间通过嵌压和摩擦作用承受竖向荷载，竖向加载试验是研究斗棋节点竖向承载性能的主要研究方式，通常采用以乳为加载端的正向加载方式或者以斗为加载端的倒置加载方式。薛建阳等 4 研究了竖向偏心荷载对柱头科斗棋受力性能的影响，斗棋在竖向荷载作用下的轴心受压破坏模式主要是大斗的压溃和正心瓜棋与单翘的劈裂，偏心受压时大斗和平板枋出现明显的转动，造成斗棋的抗压刚度与承载力降低，并且竖向荷载的偏心率越大，斗棋的转动角度越大，极限承载力越低。谢启芳等 5 研究了叉柱造式斗棋节点在竖向荷载作用下的力学性能与破坏形态，斗棋节点在竖向荷载作用下的破坏特征先是护斗与斗耳的劈裂，进而发展到泥道棋的断裂与压屈、叉柱肢的弯翘变形，在此基础上提出了又柱造式斗棋节点的荷载-变形理论模型。程小武等对“有昂无梁”和“有昂有梁”2 种形制的宋式带昂斗棋进行了竖向加载试验，斗节点在压实后首先进入弹性阶段，屈服后进入弹塑性强化阶段，下昂与梁虽打断了斗棋节点的分层叠加，但其依旧能在竖向荷载下保持良好的整体性。王超等 7 对“十字搭扣样”连接的胶合木叠木斗棋在竖向荷载的破坏形式和荷载传递规律进行了研究，斗破坏特征主要为第一层纵横向方木受弯，槽口处发生横纹劈裂破坏，并且木柱柱耳在荷载作用下发生开裂现象，荷载传递呈“倒三角”形式，斗棋将顶部荷载通过十字搭扣样形式的方木逐层向下传递至柱顶。根据上述研究，斗棋在承受竖向荷载时，荷载从中心轴处设置的齐心斗或华棋向下传递至斗，护斗再将上部所有压力传递给下部木柱或者阑额，横棋和散斗传递的荷载很小。因此，斗棋在竖向承压试验研究中的破坏形态主要表现为斗的压溃劈裂或者中心构件的压屈变形，上部的昂、慢棋、瓜子棋等构件通常不会发生明显破坏。斗棋的竖向承载机制与木材横纹受压相类似：木材横纹承压并发生塑性变形后，木纤维被压至致密从而使得木材的承载能力不断上升；同时，斗棋竖向承载过程中也不会因为某个构件的破坏丧失承载力，而是由于护斗等构件的横纹受压屈服进入到非线性硬化工作阶段8，斗内各构件逐渐压紧成为整体，竖向承载试验中斗棋承载力没有明显峰值。1.2力学模型斗棋的各项力学性能会在竖向承载过程中由于木材的屈服变形发生改变，根据试验或数值模拟的结果建立斗棋的力学模型，得到斗棋节点在竖向荷载作用下的承载力与刚度计算公式是研究斗棋竖向承载性能的关键。魏国安9 根据斗棋的竖向承载试验结果提出斗棋的竖向连接特性属于半刚性连接，刚度变化趋势为由小变大再变小，可用三折线的变刚度线弹性力学模型来描述斗棋在竖向荷载作用下的结构特性，并且采用单自由度线性阻尼系统模型来描述斗的竖向隔震作用。周乾等 1 0 对故宫太和殿一层斗棋在竖向荷载作用下的力学性能进行了研究，提出太和殿斗棋竖向承载时依次经历构件挤紧阶段、受压屈服阶段、局部受压破坏阶段等3 个过程，进而提出了斗竖向刚度计算的三折线模型。王龙 分别研究了殿堂式斗棋以及叉柱造式斗棋在竖向荷载作用下力学模型，将华、齐心斗、横棋及散斗作为一部分横纹受压部件，斗作为另一部分横纹受压部件，提出采用具有一定刚度的弹簧来代替斗棋中相应的受压部件，从而通过不同弹簧的串联构成斗的竖向承载简化分析模型。根据上述研究，斗在竖向荷载作用下的结构特性可用三折线的变刚度线弹性力学模型来描述，如图1 所示。OA段为加载初期，斗棋内各构件材料的应力与应变均处于弹性阶段，该阶段内各构件的接触由松动转变为挤紧咬合；AB段内斗各构件充分挤压咬紧，部分材料发生受压屈服从而进入塑性阶段，该阶段整体刚度较大，为屈服阶段；BC段为斗的局部受压破坏阶段，随着荷载的不断增大，斗棋部分构件率先发生受压破坏，如护斗压溃、华劈裂等，该阶段斗棋虽然能够继续持荷，但整体刚度降低，逐渐达到承载能力极限状态。三折线力学模型能够较为准确地模拟斗棋的竖向承载性能。福B位移图1斗棋竖向刚度力学模型2斗棋节点水平抗震性能2.1试验研究斗棋在水平荷载作用下通过斗棋内各构件间的摩擦和建筑施工第4 5 卷第8 期1697尹婷婷、苏冠男：古建筑木结构斗节点力学性能研究进展许鹏、韩振华、挤压来进行耗能，斗棋的抗震耗能性能与水平荷载的施加方向、斗棋的具体形制等因素有关。国内外学者通常采用水平往复加载的拟静力试验对斗棋的抗震性能进行研究。周乾等1 2 采用低周反复加载试验研究了故宫太和殿一层平身科、柱头科、角科等不同形制斗棋的水平抗震性能，研究结果表明，太和殿一层斗棋在水平荷载作用下具有较为明显的滑移特性，并且具有一定的耗能能力，但恢复力较差。随着水平侧移的增大，斗棋所受的水平力先增大、后减小，最后趋于稳定。邵云等 1 3 对六朵八等材宋式斗棋及一揽清式斗进行了低周反复试验研究，并采用配重块来施加竖向荷载，结果表明斗在水平荷载的作用下可通过转动来消耗能量，具有良好的水平变形能力和一定的抗震性能，破坏形态主要表现为脱样或折样，护斗与下部柱子连接处的馒头是最为薄弱的部位。谢启芳等1 4 对人工模拟残损的独乐寺叉柱造式斗棋在低周反复荷载下的抗震性能进行了试验研究，结果表明残损斗棋的破坏主要集中于斗、叉柱与华棋等处，破坏形态与完好斗节点基本相同，但残损斗的破坏程度更加严重，整体弯曲变形更为明显。研究结果表明，残损斗节点在水平荷载作用下仍具有较好的变形能力和延性。上述研究表明，斗棋在水平荷载作用下，会表现出明显的层间滑移及整体转动的特征，典型破坏特征为护斗的挤压损伤、护斗与下部连接处馒头样的剪切破坏、各层构件间的滑移分离等，但斗节点本身较难发生明显破坏，斗棋内各构件的弯曲变形耗能和摩擦剪切耗能是斗棋在水平荷载作用下进行耗能的主要方式。2.2恢复力模型在进行斗棋抗震性能分析时，需要明确斗棋的恢复力与位移之间的关系。地震荷载下斗棋模型的滞回曲线可以有效描述斗棋的恢复力特性，经简化后得到恢复力模型。恢复力模型能够描述斗棋在低周反复荷载下的承载力、刚度、变形能力、耗能等抗震性能相关特性。隋类等 1 5 根据不同斗棋数量的铺作层的水平低周反复荷载试验得到的滞回曲线和骨架曲线，提出单斗、双斗棋和四斗棋在不同荷载等级下的恢复力模型均为双线型线性强化弹塑性模型，如图2 所示。斗棋在发生滑移前处于弹性阶段，斗棋的侧向刚度为K，当馒头发生塑性变形，斗棋开始出现滑移并进入弹塑性阶段，侧向刚度由K，下降为K2，卸载刚度为K，当滑移达到一定程度时，馒头样发生破坏，荷载只由斗棋与下部构件间的摩擦力承担，斗棋达到极限状态。解琳琳等 1 6 基于Clough双线性模型，拟合得到了应县木塔中斗棋柱架节点在2 个水平方向的弯矩-转角恢复力模型，并将模型用于木塔整体结构性能分析。Fujita等 1 7 研究了4 种不同类型的日本传统斗棋抗震性能，基于斗棋节点抗KDBKA位移KBK图2斗棋恢复力模型侧试验的结果，提出了斗棋的恢复力模型，斗棋刚度分别经历斗转动阶段、构件滑移阶段、Masu转动阶段和卸载阶段等4 个变化过程。上述研究均表明，斗棋在水平荷载作用下的力学性能可以采用线性弹塑性模型来描述。3斗棋有限元分析基于木材本构关系和静动摩擦接触关系的精细化有限元模拟是研究斗棋力学性能的有效手段，可以在一定程度上弥补试验研究的局限性。在进行斗节点的有限元模拟时，木材各向异性的材料属性、各部件间的接触关系、节点的边界条件等参数定义是需要考虑的重要因素。潘毅等1 8 采用有限元软件Abaqus对古建筑木结构的抗震性能进行建模和分析，将斗棋各构件的接触采用绑定约束，护斗与普拍枋的连接采用摩擦接触，分析结果表明在强震作用下，斗棋大小及布置方式对木结构建筑的抗震性能有明显影响，并且斗与木柱连接处的馒头样在强震下易发生脆性破坏。薛建阳等 1 9 利用有限元软件Abaqus研究了不同参数变化对歪闪抗震斗棋性能的影响，在建模时考虑了木材应力应变曲线在荷载作用下弹性和塑性的2 个阶段，分析结果表明，在水平向往复荷载的作用下斗棋产生整体滑移，斗下部样接部位发生剪切破坏，且斗的歪闪程度对抗震性能具有较大影响。袁建力等 2 0 基于试验结果提出了基于摩擦-剪切耗能的应县木塔典型斗棋的有限元模型，利用ANSYS有限元软件模拟了斗模型在竖向荷载以及水平往复荷载作用下的斗棋受力过程，有效地表达斗在地震荷载作用下的力学特性，该模型可用于古建筑木结构抗震性能的研究。施颖等 2 1 利用有限元软件构建了可以反映斗棋构造与性能的梁单元有限元模型，分析了梁单元模型在竖向承载与水平抗震等不同受力情况下的力学性能与耗能能力，梁单元模型可有效地描述斗棋在地震荷载下的耗能特性，并且采用梁单元模型进行斗棋节点的抗震分析可以大幅提高计算效率，计算分析耗时可降低9 2.8%。根据上述研究，斗棋在荷载作用下的力学性能主要取决于木材的材性及构件间的摩擦接触关系，因此在利用16982023 8Building Construction尹婷婷、苏冠男：古建筑木结构斗节点力学性能研究进展许鹏、草韩振华、有限元软件对斗棋的受力情况进行建模分析时，应选择合适的木材本构关系及符合实际接触情况的摩擦关系。此外，在对木结构建筑进行整体建模分析时，可采用半刚性连接单元、梁单元、杆单元等对斗棋节点进行简化模拟，有利于木结构建筑的整体安全性评估与修保护等工作的开展。4结语斗棋是中国古建筑木结构特有的构件，象征着中华民族的特殊文化，具备重要的装饰与抗震耗能作用，不仅在传统木结构古建筑中应用广泛，在现代木结构建筑与新建仿古建筑也具有广阔的应用前景。本文对斗棋节点力学性能的相关研究进行了回顾，梳理总结了在竖向承载性能、水平抗震性能与有限元分析等方面的研究现状。传统木结构建筑中的斗棋节点具有良好的抗震耗能性能，斗竖向承载时的破坏形态主要表现为护斗的压溃劈裂或者中心构件的压屈变形，水平向承载时的破坏形态主要表现为护斗与下部连接处馒头样的剪切破坏或者斗棋内部各层构件间的滑移分离，斗棋内各构件的弯曲变形耗能和摩擦剪切耗能是斗棋在荷载作用下耗能的主要方式。斗棋节点在地震荷载作用下的力学性能计算模型可采用变刚度线弹性模型来描述。基于木材本构关系和静动摩擦接触关系的精细化有限元模拟是研究斗棋力学性能的有效手段。我国现存众多历史悠久的古建筑，目前关于古建筑中木结构斗棋性能的研究仍存在不足之处，结合研究现状提出后续的趋势与建议：1）现有研究主要通过低周反复加载的拟静力试验来研究斗棋节点的抗震性能，关于古建筑斗棋层整体抗震性能的振动台试验研究较少，而振动台试验能更为真实可靠地反映斗的抗震性能。建议开展不同形制斗棋层的振动台试验，基于试验结果形成更能精确描述斗棋恢复力特性的力学模型。2）目前针对斗力学性能的研究多偏向于完好斗棋，进行试验研究时采用新木材制造斗棋模型，而实际古建筑中的木结构斗均存在不同程度的残损，例如腐朽、虫蛀、开裂、歪斜等。建议在考虑木材蠕变的基础上，开展针对不同残损类型和不同残损程度斗的力学性能研究与评估，并提出相应的加固修方法，为木结构古建筑的维护修提供支撑。3）现有关于斗棋的形制设计大多依靠传统营造工法与经验传承，尚未形成科学的设计标准。后续可以根据试验结果与力学理论，形成不同形制的斗棋节点的设计规范与计算标准，从而推动传统形制的斗棋在现代木结构建筑中的应用。参考文献1薛建阳,凌怀泉,宋德军,等.平身科斗拱抗震性能试验研究及有限元分析 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